Advance kunne hjælpe med udvikling af biosensorer i nanoskala

Forestil dig en håndholdt miljøsensor, der øjeblikkeligt kan teste vand for bly, E coli, og pesticider på samme tid, eller en biosensor, der kan udføre en komplet blodopsamling fra kun en enkelt dråbe. Det er løftet om plasmonisk interferometri i nanoskala, en teknik, der kombinerer nanoteknologi med plasmonik - samspillet mellem elektroner i et metal og lys.

Nu har forskere fra Brown University's School of Engineering gjort et vigtigt grundlæggende fremskridt, der kunne gøre sådanne enheder mere praktiske. Forskerholdet har udviklet en teknik, der eliminerer behovet for højt specialiserede eksterne lyskilder, der leverer sammenhængende lys, som teknikken normalt kræver. Fremskridtet kunne muliggøre mere alsidige og mere kompakte enheder.

"Det har altid været antaget, at sammenhængende lys var nødvendigt for plasmonisk interferometri, " sagde Domenico Pacifici, en professor i ingeniørvidenskab, der overvågede arbejdet sammen med sin postdoktorale forsker Dongfang Li, og kandidatstuderende Jing Feng. "Men vi var i stand til at modbevise den antagelse."

Forskningen er beskrevet i Nature Videnskabelige rapporter .

Plasmoniske interferometre gør brug af interaktionen mellem lys- og overfladeplasmonpolaritoner, tæthedsbølger dannet, når lysenergi rasler frie elektroner i et metal. En type interferometer ligner en struktur, der er ætset ind i et tyndt lag metal. I midten er der stukket et hul gennem metallaget med en diameter på omkring 300 nanometer - omkring 1, 000 gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår. Hullet er omkranset af en række ætsede riller, med diametre på få mikrometer. Tusindvis af disse bulls-eyes kan placeres på en chip på størrelse med en fingernegl.

Når lys fra en ekstern kilde vises på overfladen af ​​et interferometer, nogle af fotonerne går gennem det centrale hul, mens andre er spredt af rillerne. Disse spredte fotoner genererer overfladeplasmoner, der forplanter sig gennem metallet indad mod hullet, hvor de interagerer med fotoner, der passerer gennem hullet. Det skaber et interferensmønster i lyset, der udsendes fra hullet, som kan optages af en detektor under metaloverfladen.

Når en væske aflejres oven på et interferometer, lyset og overfladeplasmonerne forplanter sig gennem den væske, før de interfererer med hinanden. Det ændrer interferensmønstrene, der opfanges af detektoren, afhængigt af den kemiske sammensætning af væsken eller forbindelserne i den. Ved at bruge forskellige størrelser af rilleringe rundt om hullet, interferometrene kan indstilles til at detektere signaturen af ​​specifikke forbindelser eller molekyler. Med evnen til at sætte mange forskelligt indstillede interferometre på én chip, ingeniører kan hypotetisk lave en alsidig detektor.

Indtil nu, alle plasmoniske interferometre har krævet brugen af ​​højt specialiserede eksterne lyskilder, der kan levere sammenhængende lys-stråler, hvor lysbølgerne er parallelle, har samme bølgelængde, og rejse i fase (hvilket betyder, at bølgetoppene og dalene er på linje). Uden sammenhængende lyskilder, interferometrene kan ikke producere brugbare interferensmønstre. Den slags lyskilder, imidlertid, tendens til at være omfangsrig, dyrt, og kræver omhyggelig justering og periodisk rekalibrering for at opnå en pålidelig optisk respons.

Men Pacifici og hans gruppe har fundet på en måde at eliminere behovet for eksternt sammenhængende lys. I den nye metode, fluorescerende lysemitterende atomer er integreret direkte i det lille hul i midten af ​​interferometeret. En ekstern lyskilde er stadig nødvendig for at excitere de interne emittere, men det behøver ikke være en specialiseret sammenhængende kilde.

"Dette er et helt nyt koncept for optisk interferometri, "Pacifici sagde, "en helt ny enhed."

I denne nye enhed, usammenhængende lys vist på interferometeret får de fluorescerende atomer inde i centerhullet til at generere overfladeplasmoner. Disse plasmoner forplanter sig udad fra hullet, hoppe af rilleringene, og forplante sig tilbage mod hullet efter. Når en plasmon forplanter sig tilbage, det interagerer med det atom, der frigav det, forårsager interferens med den direkte transmitterede foton. Fordi emissionen af ​​en foton og genereringen af ​​en plasmon ikke kan skelnes, alternative veje, der stammer fra den samme emitter, processen er naturligt sammenhængende, og der kan derfor forekomme interferens, selvom emitterne exciteres usammenhængende.

"Det vigtige her er, at dette er en selvindblandingsproces, " sagde Pacifici. "Det gør ikke noget, at du bruger usammenhængende lys til at excitere udsenderne, du får stadig en sammenhængende proces."

Ud over at eliminere behovet for specialiserede eksterne lyskilder, tilgangen har flere fordele, sagde Pacifici. Fordi overfladeplasmonerne rejser ud fra hullet og tilbage igen, de sonderer prøven på toppen af ​​interferometerets overflade to gange. Det gør enheden mere følsom.

Men det er ikke den eneste fordel. I den nye enhed, eksternt lys kan projiceres fra undersiden af ​​metaloverfladen, der indeholder interferometrene, i stedet for ovenfra. Det eliminerer behovet for komplekse belysningsarkitekturer oven på føleoverfladen, hvilket kunne gøre det lettere at integrere i kompakte enheder.

De indlejrede lysemittere eliminerer også behovet for at kontrollere mængden af ​​prøvevæske, der afsættes på interferometerets overflade. Store dråber væske kan forårsage linseeffekter, en bøjning af lys, der kan forvrenge resultaterne fra interferometeret. De fleste plasmoniske sensorer gør brug af bittesmå mikrofluidiske kanaler til at levere en tynd film af væske for at undgå linseproblemer. Men med interne lysudsender exciteret fra bundens overflade, det eksterne lys kommer aldrig i kontakt med prøven, så linseeffekter ophæves, ligesom behovet for mikrofluidik.

Endelig, de interne emittere producerer et lys med lav intensitet. Det er godt til at sondere sarte prøver, såsom proteiner, end kan blive beskadiget af højintensitetslys.

Der kræves mere arbejde for at få systemet ud af laboratoriet og ind i enheder, og Pacifici og hans team planlægger at fortsætte med at forfine ideen. Det næste trin vil være at prøve at eliminere den eksterne lyskilde helt. Det kan være muligt, siger forskerne, for til sidst at excitere de interne emittere ved hjælp af bittesmå fiberoptiske linjer, eller måske elektrisk strøm.

Stadig, dette indledende proof-of-concept er lovende, sagde Pacifici.

"Fra et grundlæggende synspunkt, vi mener, at denne nye enhed repræsenterer et væsentligt skridt fremad, " han sagde, "en første demonstration af plasmonisk interferometri med usammenhængende lys".